ANALISA PENGARUH DISTRIBUSI PARTIKEL DAN PATCHING …

i

TUGAS AKHIR – TL141584

ANALISA PENGARUH DISTRIBUSI PARTIKEL DAN PATCHING TERHADAP PATAHAN GRITCONE PADA VERTICAL ROLLER MILL DENGAN SIMULASI EKSPLISIT DINAMIK LS-DYNA

MUHAMMAD YOGIE LATANSA

NRP 2712 100 070

Dosen Pembimbing :

Mas Irfan P. Hidayat, S.T., M.Sc., Ph.D.

Ir. Rochman Rochiem, M.Sc

JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya 2017

TUGAS AKHIR – TL141584

ANALYSIS OF PARTICLE DISTRIBUTION AND PATCHING TO GRITCONE FRACTURE USING EXPLICIT DYNAMIC SIMULATION LS-DYNA

MUHAMMAD YOGIE LATANSA

NRP 2712 100 070

Dosen Pembimbing :

Mas Irfan P. Hidayat, S.T., M.Sc., Ph.D.


JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya 2017

v

Laporan Tugas Akhir

Jurusan Teknik Material dan Metalurgi

vi

Laporan Tugas Akhir


(Halaman ini sengaja dikosongkan)

v

Laporan Tugas Akhir


ANALISA PENGARUH DISTRIBUSI PARTIKEL DAN

PATCHING TERHADAP PATAHAN GRITCONE PADA

VERTICAL ROLLER MILL DENGAN SIMULASI

EKSPLISIT DINAMIK LS-DYNA

Nama : Muhammad Yogie Latansa

NRP : 2712100070

Jurusan : Teknik Material dan Metalurgi, ITS

Dosen Pembimbing : Mas Irfan P. H., ST., M.Sc., P.hD


ABSTRAK

Vertical roller mill (VRM) adalah salah satu alat produksi

yang ada pada PT. Holcim Indonesia, pada pengoperasian alat ini

sering terjadi permasalahan berupa kegagalan pada gritcone.

Kegagalan yang terjadi berupa kegagalan abrasi yang diawali

dengan berkurangnya ketebalan pada dinding gritcone. Proses

abrasi pada dinding gritcone ini merupakan awal terjadinya

patahan. Proses perbaikan di lapangan yaitu dengan pemberian

patching 3Cr12. Melihat seringnya kerusakan yang berulang

maka dibutuhkan analisa pengaruh distribusi partikel dan

pengaruh patching dimana kerusakan serupa dapat dihindari. Pada analisa distribusi partikel, semakin kecil distribusi partikel

maka akan terjadi pemusatan tumbukan partikel dengan gritcone.

Hal ini menyebabkan naiknya nilai pengurangan ketebalan dinding

gritcone. Dari simulasi yang dilakukan didapatkan hasil bahwa

distribusi pengurangan ketebalan dinding gritcone semakin naik

seiring dengan semakin terpusatnya jumlah partikel. Besar

pengurangan ketebalan dinding gritcone tanpa patching dengan

persebaran partikel 75%, 90%, dan 100% masing-masing adalah

3.099x10-5, 2.75x10-6, dan 3.6x10-6. Sedangkan besar pengurangan

ketebalan pada dinding gritcone dengan patching dengan variasi

yang sama adalah 4.48x10-5, 4.63x10-5, 4.653x10-5

Kata kunci : LS-Dyna, vertical roller mill, optimasi,

persebaran partikel, patching

vi

Laporan Tugas Akhir



vii

Laporan Tugas Akhir


ANALYSIS OF PARTICLE DISTRIBUTION AND

PATCHING TO GRITCONE FRACTURE USING

EXPLICIT DYNAMIC SIMULATION (LS-DYNA)

Name : Muhammad Yogie Latansa

NRP : 2712100070

Department : Teknik Material dan Metalurgi, ITS

Advisor : Mas Irfan P. H., ST., M.Sc., P.hD


ABSTRACT

Vertical roller mill (VRM) is one of the means of

production that exist in PT. Holcim Indonesia, on the operation of

this tool frequently arise in the form of a failure on gritcone.

Failures such as the failure of abrasion that begins with the reduced

thickness of the shell gritcone. Process improvements in the field,

namely the provision of 3Cr12 patching. Seeing frequent repetitive

defects, then the required analysis of the influence of the particle

distribution and the effect of patching where similar damage can

be avoided. In the analysis of the distribution of the particle, the

smaller the particle distribution there will be a concentration of

particle collisions with gritcone. From the simulations carried out

showed that the reduction of the shell thickness distribution

gritcone farther up in line with the convergence of the number of

particles. Great reduction in shell thickness gritcone without

patching the particle distribution of 75%, 90% and 100%,

respectively 3.099x10-5, 2.75x10-6 and 3.6x10-6. While large

reduction in wall thickness gritcone by patching the same variation

is 4.48x10-5, 4.63x10-5, 4.653x10-5

Keyword : LS-Dyna, vertical roller mill, optimization, particle

distribution, patching

viii

Laporan Tugas Akhir



ix

Laporan Tugas Akhir


KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakaatuh,

Segala puji syukur senantiasa kita panjatkan atas pertolongan

dan kehendak yang telah Allah berikan kepada penulis dalam

proses menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “ANALISA

PENGARUH DISTRIBUSI PARTIKEL DAN PATCHING

TERHADAP PATAHAN GRITCONE PADA VERTICAL

ROLLER MILL DENGAN SIMULASI EKSPLISIT

DINAMIC LS-DYNA”. Tugas Akhir ini disusun untuk

melengkapi syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan

Teknik Material & Metalurgi – Fakultas Teknologi Industri –

Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Ditengah

kelemahan dan kekurangan yang kami miliki, penulis

menyampaikan terima kasih kepada:

1. Kedua Orang tua penulis, Ayah Alex Prihermawan dan

Ibu Tri Puji Rahayu yang senantiasa menjadi

penyemangat, pemberi restu, pemberi doa, dan pemberi

dukungan moril serta materiil sehingga penulis bisa

sampai di titik ini.

2. Eka Putri Rifandani yang senantiasa memberi semangat,

dukungan, dan doa.

3. Bapak Ir. Rochman Rochiem, M.Sc dan Bapak Mas Irfan

P. Hidayat, ST., MT., Ph.D. selaku dosen pembimbing

penulis yang selalu menyediakan waktu untuk

memberikan ilmu dan pengalamannya.

4. Bapak Dr. Agung Purniawan, ST., M.Eng sebagai Ketua

Jurusan Teknik Material & Metalurgi.

5. Bapak Ir. Rochman Rochiem, M.Sc selaku dosen wali

penulis.

6. Seluruh bapak ibu dosen dan karyawan di lingkungan

Teknik Material & Metalurgi yang tak kenal lelah

mencetak generasi-generasi terbaik unggulan bangsa.

7. Mas Essa Abu Bakar Wahid dan mbak Agita Offi Riani

MT06 serta seluruh staff dan karyawan PT. Holcim

x

Laporan Tugas Akhir


Indonesia, Tbk. yang memberikan kesempatan bagi

penulis untuk mengerjakan topik Tugas Akhir dan

memberikan ilmu serta pengalamannya.

8. Rifqi Zufar Saputro, Caesario Isak Cornelis, Kamil Akbar

Ernas Amarullah, Muhammad Yusuf Baihaqi dan seluruh

penghuni Laboratorium Komputasi dan Pemodelan

Material yang telah banyak membantu dan menjadi

tempat berkeluh kesah tentang Tugas Akhir ini.

9. Keluarga kecil Veteran MT14. Terima kasih atas

kebersamaan selama 4 tahun lebih berkuliah di ITS.

10. Keluarga terbaik, teman terhebat selama berkuliah di ITS,

MT 14. Terimakasih atas pengalaman dan kebersamaan

selama 4 tahun bersama berkuliah di ITS.

11. Keluarga besar kontrakan Meteor Garden jalan Bahagia 2

nomer 47 yang selalu mengingatkan dan berbagi

pengalaman.

12. Seluruh orang hebat dan teman-teman penulis selama

menempuh pendidikan di ITS yang tidak akan bisa

disebutkan satu-persatu.

Penyusun menyadari adanya keterbatasan di dalam

penyusunan laporan ini. Besar harapan penulis akan saran, dan

kritik yang sifatnya membangun. Selanjutnya semoga tulisan

ini dapat selalu bermanfaat. Aamiin.

Surabaya, Januari 2017

Penulis

xi

Laporan Tugas Akhir


DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL................................................................i

LEMBAR PENGESAHAN....................................................iii

ABSTRAK...............................................................................v

ABSTRACT...........................................................................vii

KATA PENGANTAR............................................................ix

DAFTAR ISI...........................................................................xi

DAFTAR GAMBAR............................................................xiii

DAFTAR TABEL..................................................................xv

BAB I PENDAHULUAN........................................................1

1.1 Latar belakang..............................................................1

1.2 Perumusan Masalah......................................................2

1.3 Batasan Masalah...........................................................2

1.4 Tujuan...........................................................................3

1.5 Manfaat.........................................................................3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA..............................................5

2.1 Penelitian sebelumnya..................................................5

2.2 Analisa Kegagalan........................................................6

2.3 Teori Kegagalan............................................................9

2.4 Vertical Roller Mill.....................................................11

2.5 Wear disebabkan Partikel Solid..................................12

2.6 Analisa Explicit Dynamic...........................................14

2.7 Elemen Solid Shell......................................................14

2.8 Teori Keausan.............................................................19

2.9 Teori Kegagalan Von Mises.......................................20

BAB III METODOLOGI PENELITIAN..............................23

3.1 Diagram Alir Penelitian..............................................23

3.2 Materi Penelitian.........................................................23

3.2.1 Objek Penelitian..................................................23

3.2.2 Peralatan Penelitian.............................................25

3.3 Pemodelan dengan ANSYS 17.1................................26

xii

Laporan Tugas Akhir


3.3.1 Pemodelan Gritcone............................................26

3.3.2 Properties Material..............................................26

3.3.3 Meshing..............................................................27

3.3.4 Rancangan Penelitian..........................................27

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN...............................29

4.1 Gritcone tanpa patching 3Cr12...................................30

4.1.1 Pengaruh persebaran partikel 75%.....................30

4.1.2 Pengaruh Persebaran partikel 90%.....................31

4.1.3 Pengaruh persebaran partikel 100%...................35

4.2 Gritcone dengan patching 3Cr12................................38



4.2.3 Pengaruh persebaran partikel 100%...................45

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN.................................49

5.1 Kesimpulan.................................................................49

5.2 Saran...........................................................................49

DAFTAR PUSTAKA..........................................................xvii

xiii

Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Representasi teori tegangan normal maksimum......................................................................10

Gambar 2.2 Representasi teori tegangan geser maksimum......................................................................10 Gambar 2.3 Grafik reperesentasi teori tegangan distorsi

energi.............................................................................11 Gambar 2.4 Kesetimbangan gaya pada partikel yang

bersinggungan dengan permukaan.................................13 Gambar 2.5 eight node solid shell element.....................16 Gambar 2.6 Konstruksi permukaan acuan elemen shell

solid................................................................................18 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian...............................23

Gambar 3.2 Gambar 2D gritcone....................................24 Gambar 3.3 Diagram pemodelan menggunakan software ANSYS..........................................................................26

Gambar 3.4 Hasil meshing gritcone...............................27 Gambar 4.1 Geometri gritcone dengan persebaran partikel

75%................................................................................31 Gambar 4.2 Distribusi pengurangan ketebalan dinding gritcone dengan variasi persebaran partikel 75%...........31

Gambar 4.3 Grafik hubungan antara waktu dengan ketebalan dinding gritcone pada spesimen 1..................32

Gambar 4.4 Geometri gritcone dengan persebaran partikel 90%................................................................................34 Gambar 4.5 Distribusi pengurangan ketebalan dinding

gritcone dengan variasi persebaran partikel 90%...........34 Gambar 4.6 Grafik hubungan antara waktu dengan

ketebalan dinding gritcone pada spesimen 2..................35 Gambar 4.7 Geometri gritcone dengan persebaran partikel

100%..............................................................................36

xiv


Gambar 4.8 Distribusi pengurangan ketebalan dinding gritcone dengan variasi persebaran partikel 100%........36

Gambar 4.9 Grafik hubungan antara waktu dengan ketebalan dinding gritcone pada spesimen 3..................37

Gambar 4.10 Geometri gritcone dengan persebaran partikel 75%...................................................................39 Gambar 4.11 Distribusi pengurangan ketebalan dinding

gritcone dengan patching pada variasi persebaran partikel 75%................................................................................40

Gambar 4.12 Grafik hubungan antara waktu dengan ketebalan dinding gritcone pada spesimen 4..................40 Gambar 4.13 Geometri gritcone dengan persebaran

partikel 85%...................................................................42 Gambar 4.14 Distribusi pengurangan ketebalan dinding

gritcone dengan patching pada variasi persebaran partikel 85%................................................................................43 Gambar 4.15 Grafik hubungan antara waktu dengan

ketebalan dinding gritcone pada spesimen 5...................43 Gambar 4.16 Geometri gritcone dengan persebaran

partikel 100%.................................................................45 Gambar 4.17 Distribusi pengurangan ketebalan dinding grictcone dengan patching pada variasi persebaran

partikel 100%.................................................................46 Gambar 4.18 Grafik hubungan antara waktu dengan

ketebalan dinding gritcone pada spesimen 6...................46

xv


DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Permasalahan dalam kegagalan komponen

mesin........................................................................................7

Tabel 2.2 Kasus kegagalan material akibat perawatan

komponen mesin......................................................................7

Tabel 2.3 Kasus kegagalan material akibat kondisi kerja yang

ekstrim......................................................................................8

Tabel 3.1 Komposisi kimia material XAR400.......................25

Tabel 3.2 Sifat mekanik material XAR400............................25

Tabel 3.3 Tabel rancangan penelitian....................................28

Tabel 3.4 Tabel timeline penelitian dari percobaan kali

ini...........................................................................................28

Tabel 4.1 Kondisi simulasi kegagalan...................................28

Tabel 4.2 Hasil simulasi kegagalan pada Gritcone................29

xvi



1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

PT Holcim Indonesia Tbk Holcim Indonesia

memenuhi kebutuhan pembangunan di Indonesia dengan kapasitas produksi 15 juta ton semen per tahun. Kehadiran Holcim di Indonesia ditandai dengan beroperasinya empat

pabrik di Lhoknga – Aceh, Narogong – Jawa Barat, Cilacap – Jawa Tengah dan Tuban – Jawa Timur. Kegiatan

produksi ditunjang dengan adanya fasilitas penggilingan & terminal distribusi yang tersebar hingga ke Kalimantan dan Sumatra.

Proses pembuatan semen yang dilakukan oleh PT Holcim Indonesia Tbk Tuban-Plant terdiri atas 3 tahapan,

yaitu: Raw Materials Extraction, Blending and Clinkerization, dan Grinding and Distrbution. Pada tahapan Raw Materials Extraction terjadi proses ekstraksi

limestone dan tanah liat menggunaan teknik drilling dan blasting. Selanjutnya adalah reduction size raw materia l

dari ukuran 120 cm menjadi ukuran 1.2 cm dan 8 cm. Menggunakan conveyor, raw material yang telah mengalami reduction size diproses ke tahapan selanjutnya,

yaitu Blending and Clinkerization. Pada tahapan ini, raw material berupa limestone dan tanah liat dihomogenisas i

dengan cara dikumpulkan pada stockpile sebelum diproses pada Raw Mill. Pada tahapan Raw Mill terjadi proses penggilingan dan pengeringan Raw Material

menggunakan coal mill. Pada pengoperasian coal mill ini sering terjadi permasalahan berupa terjadinya crack pada

Gritcone dimana kerusakan ini terjadi pada daerah

2


tertentu. Melihat seringnya kerusakan yang berulang maka dibutuhkan analisa pengaruh distribusi partikel dimana kerusakan serupa dapat dihindari. Guna mendapatkan

hasil penelitian yang baik untuk mengetahui distribus i partikel, dapat dilakukan pemodelan distribusi partikel

pada gritcone tersebut. Beberapa dekade belakangan ini, telah banyak

dilakukan eksperimen dan pemodelan dengan

menggunakan konsep Explicit Dynamic (LS-Dyna) yang bertujuan untuk mengamati interaksi antara partikel coal

dengan permukaan gritcone dan distribusi tegangan pada komponen gritcone. Metode pemodelan secara numerik ini banyak dilakukan karena dapat menjadi bahan evaluas i

yang efektif dan efisien dalam penelitian. Penggunaan simulasi dengan software ANSYS dilakukan karena lebih

efisien waktu dan harga. Dalam penelitian ini akan dilakukan analisis pengaruh kecepatan semburan udara panas terhadap patahan gritcone dengan menggunakan

software ANSYS/Mechanical APDL Product Launcher Version 17.1 untuk memperoleh simulasi yang optimal.

1.2 Perumusan Masalah

Perumusan masalah yang akan dibahas dalam tugas

akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana pengaruh distribusi partikel terhadap

kegagalan gritcone?

2. Bagaimana mekanisme keausan pada dinding gritcone akibat adanya tumbukan partikel batu

bara? 3. Bagaimana pengaruh patching plat 3Cr12 terhadap

kegagalan gritcone?

3


1.3 Batasan masalah

Untuk mendapatkan hasil yang sesuai dengan referensi serta tidak menyimpang dari permasalahan yang ditinjau

maka terdapat beberapa batasan masalah yang perlu diperhitungkan, yaitu:

1. Kondisi operasi diasumsikan sesuai dengan standar.

2. Posisi pemasangan diasumsikan sudah sesuai

dengan prosedur. 3. Komponen gritcone pada vertical roller mill

memiliki komposisi material dan sifat mekanik yang homogen.

1.4 Tujuan penelitian

1. Menganalisis pengaruh distribusi ukuran partikel terhadap kegagalan gritcone.

2. Menganalisa mekanisme keausan pada dinding

gritcone. 3. Menganalisis pengaruh patching plat 3Cr12

terhadap kegagalan gritcone.

1.5 Manfaat penelitian

Adapun manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah didapatkan informasi mengenai distribusi tegangan pada gritcone akibat pengaruh distribusi ukuran partikel.

Hal ini dapat menjadi acuan pencegahan terjadinya kembali kegagalan yang serupa pada gritcone dan dasar

pengembangan pada ilmu berikutnya.

4



BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian sebelumnya Kegiatan analisa kegagalan ditujukan untuk mengetahui

penyebab terjadinya kerusakan yang spesifik dari peralatan, perlengkapan, dan instalasi pabrik serta untuk menentukan tindakan pencegahan agar kerusakan tidak terulang. Manfaat dari analisis kegagalan ini dalam jangka pendek diharapkan dapat memperbaiki desain, proses dan metode fabrikasi peralatan. Untuk jangka panjang digunakan dalam rangka pengembangan material dan sebagai metoda terkini, untuk evaluasi dan memperkirakan unjuk kerja material, serta untuk memperbaiki sistem pemeliharaan dimana hal ini sangat penting dan banyak berguna pada dunia industry, hehingga banyak peneliti yang tertarik dan melakukan penelitian pada bidang ini.

Samayamutthirian Palaniandy (2003) meneliti proses optimasi grinding yang terdapat pada vertical roller mill. Dalam proses pencampuran raw material digunakan dua parameter, yaitu: laju pemakanan dan tekanan roller grinding. Karakteristik fisik dan kimia dari raw material yang digunakan pada penenlitian ini adalah ukuran partikel, kelembaban, kadar silika, dan kandungan kuarsa. Fungsi laju penghancuran (breakage rate function) ditentukan melalui nilai R/D. Pada penelitiann tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa laju pemakanan mill, kadar silika, kandungan kuarsa pada tanah liat memberikan efek pada distribusi ukuran partikel.

Shuang Wang (2015) melakukan penelitian terhadap persebaran temperatur tinggi pada sistem partikel logam yang terkompaksi yang dibentuk dengan metode kompaksi kecepatan tinggi dengan menggunakan simulasi Discrete Element Method. Dari penelitian ini didapatkan hasil bahwa perpindahan panas antar partikel terjadi sangat cepat dan kenaikan

6


temperatur dalam sistem partikel diikuti dengan hubungan nonlinear dengan waktu.

Steffen Abe (2016) melakukan penelitian terhadap pengaruh micro-crack pada parameter elastis sebuah batuan dengan metode simulasi Discrete Element Method yang dimana hasil simulasi dibandingkan dengan prediksi dari teori mekanika kerusakan. Dari penelitian ini didapatkan material model Discrete Element Method dalam kondisi terkompresi menunjukkan perilaku yang serupa dengan yang diprediksi sebelumnya berdasarkan pendekatan “sliding crack”. Material model Discrete Element Method menunjukkan adanya kenaikan nilai Poisson’s ratio dan penurunan nilai modulus Young’s seiring dengan adanya kenaikan densitas micro-crack.

2.2 Analisa kegagalan Kegagalan atau kerusakan yang biasa terjadi bisa terjadi

karena 2 hal yaitu karena umur pakai komponen yang sudah saat nya rusak atau memang karena adanya factor lain yang bisa menyebabkan kerusakan sehingga sebelum umur pakai nya komonen sudah mengalami kerusakan. Jika kerusakan terjadi sebelum umur pakai yang seharusnya maka dibutuhkan suatu analisa untuk mengetahui penyebab terjadinya kegagalan tersebut, sehingga selanjutnya kerusakanyang serupa dapat dihindari.

Menurut sumber-sumber penelitian yang ada di dunia industri (Brook & Choudury, 2002), faktor penyebab kegagalan yang sering terjadi di dunia industri dapat dikarenakan karena beberapa hal yaitu sebagai berikut:

Faktor kesalahan Pemilihan Material, pada tabel 2.1

dibawah ini menunjukkan statistik tentang permasalahan dalam masalah kegagalan material

7


Tabel 2. 1 Permasalahan dalam kegagalan komponen mesin

(Brook & Choudury, 2002)

Permasalahan Presentase (%)

Kesalahan pemilihan material 38

Cacat produksi 15

Kesalahan perlakuan panas 15

Kesalahan desain mekanik 11

Kondisi operasi yang berlebihan 8

Kondisi lingkungan yang tidak

terkontrol

6

Pemeriksaan yang kurang baik 5

Material yang tidak jelas 2

Perawatan Komponen yang Kurang Baik . Proses

perawatan komponen mesin yang kurang baik termasuk salah satu penyebab kegagalan yang paling dominan. Tabel 2.2 menunjukan data mengenai kasus kegagalan material yang terjadi.

Tabel 2. 2 Kasus kegagalan material akibat perawatan

komponen mesin


Permasalahan Prosentase (%)

Perawatan yang kurang baik 44

Cacat saat fabrikasi 17

Defisiensi desain 16

Pemakaian yang abnormal 10

Cacat material 7

Penyebab yang tidak jelas 6

8


Kesalahan dalam Perancangan Komponen. Faktor kesalahan dalam proses perancanagan komponen mesin adalah sebagai berikut:

Kegagalan ulet akibat pembebanan yang melebihi kekuatan material

Kegagalan getas akibat beban kejut

Kegagalan pada temperatur tinggi (pemuluran)

Static delayed fracture

Proses perancangan yang terlalu banyak memicu konsentrasi tegangan seperti takikan

Analisa tegangan komponen yang kurang detail yang menyebabkan rawan terjadi kegagalan akibat overload

Kesalahan dalam menentukan material dari komponen mesin sehingga mempengaruhi hitungan yang dilakukan.

Kondisi Kerja yang Ekstrim. Permasalahan yang spesifik dalam kegagalan komponen mesin akibat kondisi kerja yang ekstrim disajikan dalam Tabel 2.3 berikut ini:

Tabel 2. 3 Kasus kegagalan material akibat kondisi kerja yang ekstrim


Permasalahan Prosentase

(%)

Korosi 29

Kelelahan (fatigue) 25

Kegagalan getas (britlle fracture) 16

Kelebihan beban 11

Korosi temperature tinggi 7

Korosi SCC, korosi lelah penggetasan

hydrogren

6

Pemuluran 3

Abrasi, erosi 3

9


2.3 Teori kegagalan

Kegagalan dapat terjadi karena beberapa faktor yaitu beban statik dan beban mekanis, sehingga sering timbulnya tegangan akibat beban yang melebihi yield strength. Pada dasarnya kegagalan dapat terjadi dikarenakan besaran akibat kondisi operasi > sifat kritis material. Pada umumnya teori kegagalan terbagi menjadi tiga yaitu :

1. Kegagalan statik / static failure Kegagalan statik adalah kegagalan yang disebabkan adanya beban dari luar secara statik seperti adanya pengaruh tekanan, beban, momen dan statik lainnya.

2. Kegagalan fatigue / fatigue failure Kegagalan fatigue adalah kegagalan yang terjadi karena dipengaruhi oleh waktu dan juga akibat adanya pembebanan secara dinamik yang menyebabkan suatu struktur menjadi lelah.

3. Kegagalan retak / fracture failure Kegagalan yang terjadi dikarenakan pengaruh lingkungan.

Pada kegagalan secara statik dapat terbagi menjadi tiga teori, yaitu :

a. Teori tegangan normal maksimum Kegagalan akan terjadi apabila tegangan utama maksimum sama atau lebih besar dibandingkan tegangan normal maksimum. Untuk tegangan normal positif, keadaan suatu material dikatakan luluh jika misal ada suatu pembebanan dengan σmax. Dari gambar di bawah ini menjelaskan kriteria tegangan normal masimum. Kegagalan akan terjadi jika kondisi tegangan akibat pembebanan berada diluar batas. Berikut gambar penjelasan teori tegangan normal maksimum :

10


Gambar 2.1 Representasi teori tegangan normal

maksimum

(a) Tegangan normal pada gambar 3D ; (b) Tegangan normal dalam 2D

b. Teori tegangan geser maksimum Teori tegangan geser

maksimum sering digunakan pada material yang bersifat ulet. Besarnya nilai tegangan geser maksimum adalah setengah dari nilai tegangan normal maksimum. Keadaan suatu material luluh jika misal ada suatu pembebanan dengan τmax. Dari gambar di bawah ini menjelaskan kriteria tegangan geser masimum. Kegagalan akan terjadi jika kondisi tegangan akibat pembebanan berada diluar batas. Berikut gambar penjelasan teori tegangan geser maksimum :

Gambar 2.2 Representasi teori tegangan geser maksimum

c. Distorsi energy

Aplikasi dari teori tegangan geser maksimum sering digunakan untuk kasus pada material ulet. Keadaan suatu material akan luluh jika adanya suatu

11


pembebanan dengan S. Berikut grafik tegangan distorsi energi dalam 2D:

Gambar 2.3 Grafik representasi teori tegangan distorsi energy

Penggunaan tiga teori kegagalan yang ada, disesuaikan dengan material yang dipakai. Untuk material getas, teori tegangan normal lebih efektif digunakan, sedangkan untuk material ulet teori tegangan geser dan teori distorsi energi lebih efektif digunakan.

2.4 Vertical Roller Mill

Vertical roller mill (VRM) merupakan salah satu alat

grinding yang terdapat dalam industri semen. Ukuran vertical

roller mill bekisar antara 2 sampai 6 M tergantung pada

diameter table. Vertical roller mill didesign untuk proses

grinding berbagai macam raw material seperti: batu kapur,

tanah liat, dan batu bara dengan perbedaan kohesi, particle size

distribution (PSD), dan kekerasan. Vertical roller mill

dilengkapi dengan 4 proses utama, yaitu: grinding, dying,

separation, transport. Secara umum proses dalam vertical

roller mill dapat dijelaskan sebagai berikut:

12


1. Grinding: proses pengurangan ukuran partikel bahan

dari bentuk kasar menjadi ukuran yang lebih halus.

Proses ini dilakukan dengan cara meletakkan raw

material pada griding table lalu dilewatkan pada roller

mill. Metode kominusi merupakan metdoe yang paling

efisien dalam sebuah proses grinding.

2. Separation: material yang telah mengalami

pengurangan ukuran akan menuju ke separator dengan

cara diangkat menggunakan udara panas. Di dalam

separator, material yang masih kasar akan jatuh

kembali pada grinding table. Sedangkan yang telah

halus akan melewati separator dan memasuki proses

selanjutnya. Proses pengeringan material terjadi pada

grinding dan separation.

3. Drying: Proses pengeringan terjadi selama proses

penggilingan dan proses pemisahan.

4. Transport: pada proses ini udara panas berperan sebagai

pengankut material. Selanjutnya, material yang telah

melewati separator akan dikumpulkan pada silo

penyimpanan.

2.5 Wear disebabkan oleh Partikel Solid

Erosi dari metrial yang disebabkan tubrukan partikel solid adalah salah satu bentuk degradasi wear atau aus yang membahayakan integritas dari flow boundares dan fungsi dari komponen bergerak dalam aliran yang mengandung partikel. Aplikasi ini tidak terbatas pada produksi, proses, dan fasilitas transportasi perminyakan, power plant, atau industri dirgantara. Produksi pasir dari cadangan minyak dan gas bias menyebabkan erosi cepat dana us dari komponen produksi dan proses serta jalur transportasi (Arabnejad, 2014). Maka, memprediksi erosi yang disebabkan berbagai ukuran dan bentuk partikel solid merupakan kebutuhan penting baik dari

13


segi ekonomi maupun segi keamanan. Pendekatan komprehensif untuk memprediksi kerusakan erosi dari suatu geometri dan aliran tertentu mempunyai tiga bidang utama, yaitu flow modeling, particle tracking, dan erosion prediction. Saat ini, kebanyakan studi lebih bermanfaat untuk memahami perilaku material selama dikenai impak dan karakterisasi dari mekanisme erosi, dibandingkan mengkalkulasi erosi dari kondisi tertentu.

Erosi disebabkan adanya partikel yang bergerak dan bertumbukan sengan suatu permukaan. Partikel tersebut mempunyai gaya yang mempertahankan gerak yang ditunjukkan pada gambar 2.3.

Gambar 2.4 Kesetimbangan gaya pada partikel yang

bersinggungan dengan permukaan.

Dimana m adalah massa partikel, P adalah pressure aliran yang diasumsikan sebagai nilai kekerasan Vickers dari material, n adalah rasio area kontak antara partikel dengan material, dan R adalah ukuran partikel. Dewasa ini, banyak studi literature yang menunjukkan bahwa efek dari ukuran partikel pada erosi

14


tidak banyak berpengaruh untuk partikel dengan ukuran lebih besar dari 100 µm (Arabnejad, 2015)

2.6 Analisa Explicit Dynamic

Pada penelitian ini penulis menggunakan analisa explicit dynamic, dimana terdapat beberapa perbedaan dengan analisa implisit. Dalam analisa statis, efek dari masa (inersia) dan/atau damping tidak diperhitungkan, berbeda dengan analisa dinamis dimana gaya pada node berhubungan dengan efek inersia dan damping

Dalam analisa implisit nonlinier, hasil dari setiap langkah perhitungan membutuhkan beberapa iterasi untuk membentuk kesetimbangan dengan toleransi tertentu. Pada analisia eksplisit, iterasi tidak dibutuhkan karena akselerasi dari node dihitung secara langsung.

Dalam analisa dinamis eksplisit, akselerasi node diselesaikan

langsung tanpa iterasi dengan melakukan inversi pada diagonal

matriks massa dikalikan dengan vector tegangan node dimana

tegangan node dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti

pressure, body forces, kontak permukaan, tegangan elemen,

damping, bulk viscosity, dan hourglass control.(LSTC, 2006)

2.7 Elemen Solid Shell

Pada penelitian yang dilakukan secara explicit dynamic menggunakan element brick delapan node dengan acuan persamaan shell Hudhes-Liu dan Belytschko-Lin-Tsay. Dimana geometri diinterpolasikan dari kordinat titik node sebagai

𝑥𝑖(𝑋𝛼, 𝑡) = 𝑥𝑖(𝑋𝛼(𝜉, 𝜂, 𝜁), 𝑡) = ∑ 𝜙𝑗(𝜉,𝜂, 𝜁)𝑥𝑖𝑗(𝑡)

8

𝑗=1

(2.1)

dimana fungsi bentuk 𝜙𝑗 didefinisikan sebagai

𝜙𝑗 =1

8(1 + 𝜉𝜉𝑗)(1 + 𝜂𝜂𝑗)(1 + 𝜁𝜁𝑗) (2.2)

15


dimana𝜉𝑗, 𝜂𝑗, 𝜁𝑗 mempunyai nilai node (±1, ±1,±1) dan 𝑥𝑗𝑖

adalah koordinat node ke-j dalam arah ke-i seperti pada gambar

2.4

Sebagai sebuah elemen solid, N adalah matriks

interpolasi kotak 3 x 24

N(𝜉, 𝜂, 𝜁) = [∅1

00

0∅1

0

00∅1

∅2

00

0∅2

0

………

0∅8

0

00∅8

]

(2.3)

σ adalah vektor tegangan:

𝑜𝑡 = (𝜎𝑥𝑥, 𝜎𝑦𝑦 ,𝜎𝑧𝑧 ,𝜎𝑥𝑦 ,𝜎𝑦𝑧 ,𝜎𝑧𝑥) (2.4)

dan B adalah matriks strain-displacement 6 x 24

B =

[

𝜕

𝜕𝑥0 0

0𝜕

𝜕𝑦0

0 0𝜕

𝜕𝑧𝜕

𝜕𝑦

𝜕

𝜕𝑥0

0𝜕

𝜕𝑧

𝜕

𝜕𝑦𝜕

𝜕𝑥0

𝜕

𝜕𝑥]

(2.5)

16


Gambar 2.5 eight node solid shell element

Matriks strain-displacement sudah siap untuk dikalkulasi.

Tandai bahwa 𝜕∅𝑖

𝜕𝜉=

𝜕∅𝑖

𝜕𝑥

𝜕𝑥

𝜕𝜉+

𝜕∅𝑖

𝜕𝑦

𝜕𝑦

𝜕𝜉+

𝜕∅𝑖

𝜕𝑧

𝜕𝑧

𝜕𝑥𝜕∅𝑖

𝜕𝜂=

𝜕∅𝑖

𝜕𝑥

𝜕𝑥

𝜕𝜂+

𝜕∅𝑖

𝜕𝑦

𝜕𝑦

𝜕𝜂+

𝜕∅𝑖

𝜕𝑧

𝜕𝑧

𝜕𝑥𝜕∅𝑖

𝜕𝜁=

𝜕∅𝑖

𝜕𝑥

𝜕𝑥

𝜕𝜁+

𝜕∅𝑖

𝜕𝑦

𝜕𝑦

𝜕𝜁+

𝜕∅𝑖

𝜕𝑧

𝜕𝑧

𝜕𝑥

bisa ditulis ulang sebagai

[ 𝜕∅𝑖

𝜕𝜉𝜕∅𝑖

𝜕𝜂𝜕∅𝑖

𝜕𝜁 ]

=

[ 𝜕𝑥

𝜕𝜉

𝜕𝑦

𝜕𝜉

𝜕𝑧

𝜕𝜉𝜕𝑥

𝜕𝜂

𝜕𝑦

𝜕𝜂

𝜕𝑧

𝜕𝜂𝜕𝑥

𝜕𝜁

𝜕𝑦

𝜕𝜁

𝜕𝑧

𝜕𝜁]

[ 𝜕∅𝑖

𝜕𝑥𝜕∅𝑖

𝜕𝑦𝜕∅𝑖

𝜕𝑧 ]

= 𝐽

[ 𝜕∅𝑖

𝜕𝑥𝜕∅𝑖

𝜕𝑦𝜕∅𝑖

𝜕𝑧 ]

dengan melakukan invers pada matriks Jacobian, J, bisa didapatkan bentuk

(2.6)

))

(2.7)))

(2.8)

))

17


[ 𝜕∅𝑖

𝜕𝑥𝜕∅𝑖

𝜕𝑦𝜕∅𝑖

𝜕𝑧 ]

= 𝐽−1

[ 𝜕∅𝑖

𝜕𝜉𝜕∅𝑖

𝜕𝜂𝜕∅𝑖

𝜕𝜁 ]

Untuk mendapatkan perilaku seperti shell dari sebuah elemen solid, penting untuk menggunakan beberapa titik integrasi sepanjang ketebalan shell di sepanjang sumbu

𝜉 ketika memberikan tekanan pada bidang. Oleh karena itu, penting untuk menyusun permukaan acuan di dalam komponen shell. Pada elemen shell Belytschko-Lin-Tsay permukaan acuan terletak di antara permukaan atas dan permukaan bawah dengan persamaan matriks

{𝐴} = {

𝐴𝑥

𝐴𝑦

𝐴𝑧

} = [

𝑒1𝑥 𝑒2𝑥 𝑒3𝑥

𝑒1𝑦 𝑒2𝑦 𝑒3𝑦

𝑒1𝑧 𝑒2𝑧 𝑒3𝑧

]{

�̂�𝑥

�̂�𝑦

�̂�𝑧

}= [𝜇]{�̂�} = [𝑞]𝑇{�̂�}

seperti pada shell Hughes-Liu, langkah berikutnya adalah melakukan pembaruan pada Jaumann rate

𝜎𝑖𝑗𝑛+1 = 𝜎𝑖𝑗

𝑛 + 𝜎𝑖𝑗𝑛∆𝜔𝑝𝑗 + 𝜎𝑗𝑝

𝑛 ∆𝜔𝑝𝑖

untuk menghitung rotasi material antara time steps n dan n+1. Pembaruan Jaumann rate pada tensor tegangan diaplikasikan pada konfigurasi global sebelum evaluasi pokok dilakukan. Di dalam solid shell seperti shell Hughes-Liu, stress dan histori variabel tersimpan di sistem koordinat global. Untuk mengevaluasi hubungan pokok, kenaikan tegangan dan regangan dirotasikan dari koordinat global ke sistem koordinat lokal menggunakan transformasi yang dinyatakan dengan:

(2.9))

(2.10))

18


𝜎𝑖𝑗𝑙𝑛+1

= 𝑞𝑖𝑘𝜎𝑘𝑛𝑛+1𝑞𝑗𝑛

Δ𝜀𝑖𝑗𝑙𝑛+1

2⁄ = 𝑞𝑖𝑘Δ𝜀𝑘𝑛

𝑛+12⁄ 𝑞𝑗𝑛

Dimana pangkat l menunjukkan komponen berada di sistem koordinat local. Tegangan diperbarui setiap ada kenaikan:

𝜎𝑖𝑗𝑙𝑛+1

= 𝜎𝑖𝑗𝑙𝑛+1

+ Δ𝜎𝑖𝑗𝑙𝑛+1

2⁄

Gambar 2.6 Konstruksi permukaan acuan elemen shell solid

Terpisah dari evaluasi pokok

𝜎33𝑙 = 0

yang memastikan bahwa kondisi tegangan permukaan terpenuhi, pembaruan dilakukan pada tegangan normal yang digunakan sebagai toleransi untuk menjaga ketebalan dari shell:

𝜎33𝑝𝑒𝑛𝑎𝑙𝑡𝑦𝑛+1

= 𝜎33𝑝𝑒𝑛𝑎𝑙𝑡𝑦𝑛+1

+ 𝐸Δ𝜀33𝑙

dimana E adalah modulus Young dari material. Persamaan tensor tegangan dirotasikan kembali ke sistem global:

𝜎𝑖𝑗𝑛+1 = 𝑞𝑘𝑖𝜎𝑘𝑛

𝑙𝑛+1𝑞𝑛𝑗

(2.11)) (2.12))

(2.13))

(2.14))

(2.15))

(2.16))

19


Toleransi tensor tegangan kemudian dibentuk dengan cara mentransformasikan toleransi normal tensor teganan kembali ke sistem global:

𝜎𝑖𝑗𝑝𝑒𝑛𝑎𝑙𝑡𝑦𝑛+1

= 𝑞𝑘𝑖𝜎𝑘𝑛𝑝𝑒𝑛𝑎𝑙𝑡𝑦𝑛+1

𝑞𝑛𝑗

sebelum menghitung veKtor gaya internal. Gaya internal bisa dihitung dengan:

𝑓𝑖𝑛𝑡 = ∫𝐵𝑡𝑛+1[𝜎𝑛+1 + 𝜎𝑝𝑒𝑛𝑎𝑙𝑡𝑦𝑛+1

]𝑑𝑣

brick shell menunjukkan tidak ada masalah apabila pendekatan

tersebut diaplikasikan (LSTC, 2006)

2.8 Teori Keausan

Keausan dapat didefinisikan sebagai kerusakan

permukaan akibat pengaruh dari lingkungan dan salah satunya

adalah karena adanya pergerakan cepat dua buah permukaan

yang saling bersentuhan. Lipson mengkualifikasikan tipe

keausan berdasarkan kategori berikut:

1. Galling (disebut juga scuffing) Tipe keausan ini terjadi karena adanya dua benda kerja yang bersifat kasar lalu dilakukan proses pengelasan. Tipe keausan ini terjadi secara adhesi

2. Abrasi Partikel yang melakukan kontak dengan permukaan yang lebih kasar dapat menyebabkan keausan yang bersifat abrasif. Partikel ini melekat pada permukaan yang halus dan dan berusaha untuk bergesekan dengan permukaan yang lebih kasar.

3. Pitting Tipe keausan ini terjadi karena adanya kontak tegangan dan merupakan bagian dari surface fatigue.

4. Fretting corrosion

(2.17))

(2.18))

20


Merupakan tipe keausan yang terjadi karena adanya

konstruksi ang bergerak dengan mengalami gesekan. Jenis

korosi ini biasa terjadi pada sumbu yang berputar dan

bergesekan.

5. Cavitation erosion

Terjadi karena tingginya kecepatan cairan menciptakan

daerah-daerah bertekanan tinggi dan rendah secara

berulang-ulang pada permukaan peralatan dimana cairan tersebut mengalir. (Deutschman, 1975)

2.9 Teori Kegagalan Von Mises

Von Mises (1913) menyatakan bahwa akan terjadi

luluh bilamana invarian kedua deviator tegangan J2 melampaui

harga kritis tertentu

(2.19)

di mana

Untuk evaluasi tetapan k dan menghubungkannya

dengan luluh dalam uji-tarik, kita ketahui bahwa luluh dalam

uji-tarik uniaksial terjadi bila:

(2.20)

Substitusi persamaan (2.20) ke dalam persamaan (2.19) maka

akan menghasilkan bentuk kriteria luluh Von Mises. (2.21)

Atau bisa ditulis dengan

(2.22)

21


Dari persamaan (2.21) dan (2.22) dapat diprediksi bahwa luluh

akan terjadi apabila selisih tegangan pada sisi kanan persamaan

melampaui tegangan luluh dalam uji-tarik uniaksial (Dieter, 1986)

22



BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian Diagram alir pada penelitian tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian

3.2 Materi Penelitian 3.2.1 Objek Penelitian

Objek dalam penelitian ini adalah grit cone yang terdapat

pada vertical roller mill yang dapat dilihat pada gambar dibawah:

Mulai

Pembuatan geometri komponen

Pembebanan dengan metode simulasi

Analisa distribusi partikel hasil simulasi

Analisa data hasil simulasi

Selesai

24


Gambar 3.2 Gambar 2D Grit cone

25


Material yang digunakan pada grit cone tersebut adalah XAR400 dengan komposisi kimia sebagai berikut:

Tabel 3.1 Komposisi Kimia Material XAR400

(Thyssenkrupp, 2014)

Unsur %

C ≤0.20

Si ≤0.80

Mn ≤1.50

P ≤0.020

S ≤0.007

Cr ≤1.00

Mo ≤0.50

B ≤0.005

Tabel 3.2 Sifat Mekanik Material XAR400

(Thyssenkrupp, 2014)

Sifat Mekanik XAR400

Hardness (HBW) 370-430 Yield strength (MPa) 1000

Sifat Mekanik XAR400 Elongation (%) 10

Tensile Strength (MPa) 1250

3.2.2 Peralatan Penelitian Peralatan yang digunakan dalam penelitian tugas akhir ini

adalah software ANSYS release 17.1. ANSYS release 17.1 merupakan suatu perangkat lunak komputer yang mampu

menyelesaikan persoalan-persoalan elemen hingga dari pemodelan hingga analisis dengan keakuratan yang cukup tinggi.

26


3.3 Pemodelan dengan ANSYS 17.1 Adapun diagram alir pemodelan gritcone

menggunakan ANSYS 17.1 dapat dilihat pada gambar 3.3:

Gambar 3.3 Diagram pemodelan menggunakan software ANSYS

3.3.1 Pemodelan gritcone Design geometri gritcone dibuat di software ANSYS

release 17.1. Tipe elemen solid yang digunakan adalah thin shell 163 dan mass 166.

3.3.2 Properties material Pada penelitian ini dilakukan input data material XAR400 sebagai bahan penyusun material grit cone, data sifat mekanik material pada tabel sebelumnya dimasukkan kedalam data linear isotropik. Pengujian explicit dynamic dilakukan dengan mensimulasikan pengaruh distribusi ukuran partikel yang terlokalisir.

Mulai

PREPROCESSOR

1. Modelling

2. Penentuan Element

Type

3. Material Properties

4. Meshing

5. Boundary Condition

ANALYSIS

Explicit dynamic

LS-PrePost

Hasil akhir

Selesai

27


3.3.3 Meshing

Metode meshing yang digunakan pada desain grit cone adalah metode free mesh dengan ukuran 6, berikut merupakan gambar hasil meshing model dari komponen grit cone, terlihat pada gambar 3.4

Gambar 3.4 Hasil meshing gritcone

3.3.4 Rancangan Penelitian Pada penelitian ini dilakukan analisis distribusi tegangan

pada masing-masing desain sehingga dapat dik9+2+*etahui titik-titik kritis dari komponen tersebut. Variasi distribusi partikel yang di analisis adalah sebagai berikut:

1. Variasi disrtibusi 75% 2. Variasi distribusi 90% 3. Variasi ditribusi 100%

Secara garis besar rancangan penelitian yang dilakukan pada tugas akhir ini bisa dilihat pada table 3.3:

28


Tabel 3. 3 Tabel Rancangan Penelitian Spesimen Ukuran

Partikel (µm)

Ketebalan Awal (m)

Variasi Persebaran

Kondisi

1 100 0.01 75% Tanpa Patching

2 100 0.01 90% Tanpa Patching 3 100 0.01 100% Tanpa Patching

4 100 0.01 75% Patching 5 100 0.01 90% Patching

6 100 0.01 100% Patching

Berikut ini adalah rancangan penilitian atau Timeline dari dari percobaan kali ini:

Tabel 3.4 Tabel timeline penilitian dari percobaan kali ini

Minggu ke-Minggu ke

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Pembuatan Proposal pembuatan Geometri

Simulasi dengan variasi geometri

Analisa Simulasi Pembuatan Laporan

Sidang

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses simulasi mengenai fenomena abrasi telah dilakukan

pada berbagai kondisi yang berbeda, dimana seluruhnya dilakukan

dengan analisis dinamik ekplisit dengan pemberian beban berupa

abrasi yang dilakukan oleh partikel bermassa dan mempunyai

kecepatan awal. Proses pembuatan geometri untuk simulasi

disesuaikan dengan kondisi di lapangan, yaitu tanpa menggunakan

patching plat 3Cr12 dan menggunakan patching plat 3Cr12. Pada

penelitian ini digunakan variasi persebaran partikel batu bara sebesar

75%, 90%, dan 100%. Hasil yang didapatkan dari simulasi berupa

ketebalan maksimal dan minimal pada dinding gritcone dan ketebalan

maksimal dan minimal pada patching plat 3Cr12.

Tabel 4.1 Kondisi simulasi kegagalan

Spesimen Ukuran Partikel

(µm)

Ketebalan Awal (m)

Variasi Persebaran

Kondisi




4 100 0.01 75% Patching 5 100 0.01 90% Patching

6 100 0.01 100% Patching

Setelah proses simulasi, hasil simulasi dapat diamati dengan

menggunakan software LS-PrePost. Melalui software ini hasil

dianimasikan lalu didapatkan hasil berupa ketebalan maksimal dan

ketebalan minimal pada dinding gritcone maupun ketebalan maksimal

30


dan minimal plat patching 3Cr12. Hasil ketebalan maksimal dan

minimal dapat dilihat pada tabel 4.2 berikut ini:

Tabel 4.2 Hasil simulasi kegagalan pada Gritcone

Spesimen Ketebalan Akhir Gritcone ΔT (m) Minimal (m) Maksimal (m)

1 0.00996803 0.00999902 3.099x10-5 2 0.00999631 0.00999906 2.75x10-6

3 0.00999552 0.00999912 3.6x10-6 4 0.0999548 0.0999996 4.48x10-5

5 0.0999533 0.0999996 4.63x10-5 6 0.099953 0.09999953 4.653x10-5

Tabel 4.2 menunjukkan hasil simulasi kegagalan abrasi dari

tiap – tiap spesimen yang menunjukkan adanya kecenderungan

naiknya tingkat abrasi seiring dengan semakin terpusatnya persebaran

partikel batu bara.

4.1 Gritcone tanpa patching 3Cr12

Pada subbab ini akan dibahas mengenai hasil simulasi gritcone

tanpa patching 3Cr12. Kegagalan abrasi diawali dengan adanya

tumbukan partikel batu bara pada dinding gritcone. Persebaran partikel

batu bara yang tidak merata mengakibatkan adanya pemusatan beban

yang mengakibatkan patahan yang terlokalisir. Agar didapatkan hasil

yang akurat, peneliti menggunakan tiga variasi persebaran partikel

batu bara, yaitu sebesar 75%, 90%, dan 100%.

4.1.1 Pengaruh persebaran partikel 75% Geometri gritcone dan persebaran partikel 75% dapat dilihat

pada gambar 4.1. Geometri ini disimulasikan dengan pemberian beban

partikel batu bara dengan persebaran partikel sebesar 75%. Partikel

batu bara berukuran 100 µm mempunyai massa 4.36 x 10-10 kg dan

31


partikel tersebut bergerak dari kecepatan awal 0 m/s dengan percepatan

sebesar 9.81 m/s2.

Gambar 4.1 Geometri gritcone dengan persebaran partikel 75%

32


Gambar 4.2 Distribusi pengurangan ketebalan dinding gritcone

dengan variasi persebaran partikel 75%

Gambar 4.3 Grafik hubungan antara waktu dengan ketebalan

dinding gritcone pada spesimen 1

Gambar 4.2 menunjukkan hasil simulasi berupa distribusi

pengurangan ketebalan dinding gritcone dengan variasi persebaran

partikel 75%. Dapat dilihat pada gambar ketebalan minimal sebesar

0.00996803m. Area yang mempunyai ketebalan paling rendah

berpotensi mengalami crack jika diberi beban yang berulang.

Grafik 4.3 menunjukkan hubungan antara waktu dengan

ketebalan gritcone. Jika dilihat pada grafik, pengurangan ketebalan

dinding gritcone terjadi pada saat t = ± 0.0125 s. Dinding gritcone yang

memiliki nilai pengurangan ketebalan paling tinggi adalah elemen E

153.

33


4.1.2 Pengaruh persebaran partikel 90%

Geometri gritcone dan persebaran partikel 90% dapat dilihat





sebesar 9.81 m/s2.

34





35







0.00999631 m. Area yang mempunyai ketebalan paling rendah





memiliki nilai pengurangan ketebalan paling tinggi adalah elemen G

79.


Geometri gritcone dan persebaran partikel 100% dapat dilihat




36



sebesar 9.81 m/s2.


37














memiliki nilai pengurangan ketebalan paling tinggi adalah elemen G

79.

4.2 Gritcone dengan patching 3Cr12

38


Pada subbab ini akan dibahas mengenai hasil simulasi gritcone

dengan patching 3Cr12. Perbaikan sebelumnya yang dilakukan di

lapangan yaitu dilakukan proses patching menggunakan plat 3Cr12

pada bagian yang mengalami kegagalan. Kegagalan abrasi diawali

dengan adanya tumbukan partikel batu bara pada dinding gritcone.

Persebaran partikel batu bara yang tidak merata mengakibatkan adanya

pemusatan beban yang mengakibatkan patahan yang terlokalisir. Agar

didapatkan hasil yang akurat, peneliti menggunakan tiga variasi

persebaran partikel batu bara, yaitu sebesar 75%, 90%, dan 100%.


Geometri gritcone dengan patching dan persebaran partikel

75% dapat dilihat pada gambar 4.10. Geometri ini disimulasikan

dengan pemberian beban partikel batu bara dengan persebaran partikel

sebesar 90%. Partikel batu bara berukuran 100 µm mempunyai massa

4.36 x 10-10 kg dan partikel tersebut bergerak dari kecepatan awal 0 m/s

dengan percepatan sebesar 9.81 m/s2.

39



40



dengan patching pada variasi persebaran partikel 75%



41










memiliki nilai pengurangan ketebalan paling tinggi adalah elemen AG.








42



43






44










memiliki nilai pengurangan ketebalan paling tinggi adalah elemen AI.

45










46






47










memiliki nilai pengurangan ketebalan paling tinggi adalah elemen AG.

Setelah dilakukan simulasi, didapatkan hasil berupa ketebalan

akhir dinding gritcone karena adanya proses penumbukan partikel batu

bara. Gritcone tanpa patching 3Cr12 dengan menggunakan persebaran

partikel sebesar 75% mengalami tingkat keausan paling tinggi karena

adaya pemusatan tumbukan partikel. Jumlah partikel batu bara yang

digunakan dalam proses simulasi ini adalah sama yaitu ± 2100 partikel.

Pemusatan tumbukan partikel dengan jumlah partikel yang tetap

menyebabkan adanya tegangan yang terpusat dan terlokalisir pada

daerah tertentu. Akibat adanya tegangan ini maka sesuai dengan teori

kegagalan von mises jika suatu pembebanan melampaui nilai kritis

tegangan suatu material maka terjadi patahan. Dalam proses simulasi

ini patahan diawali dengan adanya pengurangan ketebalan dinding

gritcone.

Kondisi di lapangan ketika terjadi patahan adalah dengan

dilakukan proses penambalan (patching) pada derah yang mengalami

patahan. Material yang digunakan untuk patching berupa plat 3Cr12.

Hasil simulasi yang didapat adalah pengurangan ketebalan dinding

gritcone yang paling besar pada persebaran sebesar 75%. Jika

dibandingkan dengan hasil simulasi gritcone tanpa patching, gritcone

menggunakan patching mengalami pengurangan ketebalan dinding

paling besar. Hal ini konsisten jika dilihat dari angka kekerasan antara

48


3Cr12 dan XAR400. Sehingga 3Cr12 bukan merupakan material yang

baik untuk patching pada dinding gritcone.

BAB V

KESIMPULAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil dan pembahasan pada penelitian ini,

dapat disimpulkan bahwa:

1. Semakin kecil variasi persebaran partikel

menyebabkan adanya pemusatan tumbukan pada

daerah tertentu pada gritcone. Hal ini menyebabkan

semakin tingginya tingkat abrasi sehingga berpotensi

menyebabkan crack.

2. Mekanisme keausan yang terjadi pada dinding gritcone

diawali dengan adanya pembebanan berupa tumbukan

partikel batubara. Tumbukan partikel batubara ini

menyebabkan pengurangan ketebalan dinding

gritcone. Jika hal ini diteruskan maka akan terjadi

crack pada dinding gritcone.

3. Patching 3Cr12 tidak memberikan hasil yang optimal

untuk menanggulangi kegagalan pada gritcone.

5.2 Saran

1. Dilakukan pergantian seluruh komponen gritcone pada

saat proses perbaikan.

2. Ukuran partikel batu bara yang masuk melalui feed

harus lebih besar.

3. Untuk penelitian selanjutnya dapat menggunakan

simulasi Discrete Element Method (DEM).

50

Laporan Tugas Akhir



xvii

Laporan Tugas Akhir


DAFTAR PUSTAKA

Abe, Steffen. 2016. Comparison of Discrete Element

Simulations to Theoritical Predictions of The Elastic

Moduli of Damaged Rocks. Institute for Geothermal

Resource Management. Germany

Allen. T. 1990. Particle Size Measurement: Fourth Edition.

Chapman and Hall. USA

Arabnejad. 2014. A Guideline to Calculate Erosional

Velocity due to Liquid Droplets for Oil and Gas

Industry, in : proceeding of the SPE Annual

Technical Conference and Exhibition. Belanda

Arabnejad. 2015. Development of Mechanistic Erosion

Equation for Solid Particle. Amerika Serikat :

University of Tulsa

Brook, C. R. & Choudhury, A., 2002. Failure Analysis of

Engineering Materials. McGraw Hills. USA

Deutschman, Aaron. 1975. Machine Design: Theory and

Practice.Macmillan Publishing. Canada

Dieter, George. 1993. Metalurgi Mekanik. McGraw-Hill Inc.

USA

Hallquist, John. 2006. LS-DYNA Theory Manual. Amerika

Serikat : Livermore Software Technology Corporation

Khurmi, R.S. dan J.K. Gupta. 2005. Textbook of Machine

Design. Eurasia Publishing House. India

Livermore Software Technology Corporation. Differences

between Implicit and Explicit. 2011 < http://www.dynasupport.com/faq/general/what-are-

the-differences-between-implicit-and-explicit>

Palaniandy, dkk. 2003. Optimazion, Modelling, and

Simulation of Vertical Roller Mill in Cement Raw

Mix Grinding Circuit. Universiti Sains Malaysia.

Malaysia

xviii

Laporan Tugas Akhir


Wang. S, Zhoushun Zheng. 2015. Discrete Element Method

for High-temperature Spread in Compacted Powder

System. Chinese Academy of Science. China

xix

Laporan Tugas Akhir


BIODATA PENULIS Penulis bernama lengkap Muhammad Yogie

Latansa dilahirkan di Surabaya pada tanggal

14 Juli 1994. Penulis merupakan anak pertama

dari tiga bersaudara dari Bapak Alex

Prihermawan dan Ibu Tri Puji Rahayu, dan

telah menempuh pendidikan formal yaitu SD

Negeri 01 Banjararum Kab. Malang, SMPN 1

Malang, SMAN 6 Malang, dan penulis

mengikuti tes SNMPTN dan diterima sebagai

Mahasiswa Institut Teknologi Sepuluh

Nopember Surabaya 2012. Penulis melanjutkan studi di Jurusan

Teknik Material dan Metalurgi FTI ITS dengan nomor registrasi

pokok 2712 100 070.

Semasa kuliah, penulis terdaftar aktif mengikuti organisasi

kemahasiswaan di lingkup Himpunan (HMMT FTI-ITS) sebagai

staff departemen PSDM 2013-2014 dan sebagai sekretaris

departemen PSDM 2014-2015.

Selesainya tugas akhir ini mengantarkan penulis

memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) pada Jurusan Teknik

Material dan Metalurgi Institut Teknologi sepuluh Nopember

Surabaya.

Email : [email protected]

Hp : 085775888894

mailto:[email protected]

xx

Laporan Tugas Akhir



ANALISA PENGARUH DISTRIBUSI PARTIKEL DAN PATCHING …

Documents

Transcript of ANALISA PENGARUH DISTRIBUSI PARTIKEL DAN PATCHING …